Chapitre 2 Conception et fabrication III. Choix d’une technologie issue de la microélectronique Si microélectronique Si La réalisation des filtres multicouches conventionnels repose sur des techniques de dépôt de diélectriques sur un substrat en verre, la limitation principale étant le nombre maximal de couches pouvant être empilées. Les choix technologiques posés par la réalisation de filtres à réseaux résonnants offrent l’opportunité d’exploiter les technologies collectives et à faible coût de la microélectronique. Celles-ci sont déjà largement utilisées dans le domaine de l’optoélectronique, principalement sur semi-conducteurs III-V, mais elles concernent une grande diversité de composants n’incorporant pas généralement de réseaux résonnants [Khalil et al. 2000]. On peut cependant noter que les réflecteurs de Bragg distribués dans les diodes laser font appel à des technologies similaires à celles utilisées pour les réseaux 1D citées dans l’état de l’art précédent : ils concernent les filières d’alliages Ga (Al, In) As et Ga (Al, In) P permettant de couvrir les gammes spectrales des diodes laser et ne peuvent exploiter tous les acquis de la microélectronique et des microsystèmes. Dans la perspective de démontrer un procédé générique, nous avons fait le choix d’utiliser les technologies usuelles de la microélectronique silicium, afin d’obtenir un procédé de fabrication « compatible CMOS ». Ce choix résulte d’une double motivation : - la maîtrise actuelle de ces technologies permet d’assurer des réalisations reproductibles et à grande échelle, - les procédés d’élaboration de la microélectronique autorisent des procédés de réalisation complexes, faisant intervenir plusieurs étapes technologiques dans le procédé de fabrication, qui permettent ainsi la réalisation de dispositifs hautement fonctionnels. L’intégration sur la même puce de fonctions de filtrage, détection, traitement du signal, pourrait ainsi ouvrir la voie à des fonctions optiques intégrées avancées. A notre connaissance, cette approche est originale, et un des premiers objectifs de cette thèse sera de proposer un procédé technologique spécifique, dont nous devrons établir la faisabilité et l’adéquation pour atteindre les caractéristiques des filtres. La modélisation permet de montrer que les performances spectrales des filtres sont dégradées lorsque les matériaux ont une partie imaginaire de l’indice k supérieure à10ିସ(réduction de la réflexion à la résonance, élargissement spectrale). Nous nous fixons comme objectif d’obtenir des matériaux avec un k inférieur à 10ିସ. Pour la fabrication du filtre, nous avons choisi des matériaux de la microélectronique, susceptibles de ne pas absorber à 850 nm et pouvant être déposés dans la centrale technologique de LAAS. Les matériaux sélectionnés ont été le silicium amorphe (a-Si), le nitrure de silicium (Si3N4) et la silice (SiO2). Les procédés de dépôt standard ont été optimisés dans le but de réduire l’absorption et d’améliorer la reproductibilité. Pour établir le jeu de paramètres de conception de la structure, des structures de test ont été réalisées pour déterminer l’indice de réfraction de la silice, du nitrure et du silicium amorphe dans les conditions d’élaboration associées aux techniques LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) et PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). Les différents dépôts ont été caractérisés avec un ellipsomètre Horiba. Sur chacun de ces matériaux, l’indice (ñ = n-i.k) du SiO2 (Figure 1-1), Si3N4 (Figure 2-2) et a-Si (Figure 2-3) a été mesuré en fonction de la longueur d’onde. Figure 2-1 : Indice du SiO2 déposé par PECVD Figure 2-2 : Indice su Si3N4 déposé par LPCVD Figure 2-3 : Indice du a-Si déposé par PECVD Les parties imaginaires k, pour λ = 850 nm, de ces trois matériaux sont à la limite de la précision de l’appareil qui est de l’ordre de 5.10-3. Des mesures plus précises d’indice par spectroscopie de transmission ont été effectuées sur les mêmes couches à l’Institut Fresnel par Fabien Lemarchand. Les résultats concernant les parties réelles n de l’indice ont été confirmés, les parties imaginaires des deux diélectriques (SiO2 et Si3N4) sont inférieures à 10ିସ. Par contre la partie imaginaire de a-Si à 850 nm est égale à 5.10ିଷ, mais cette valeur s’avère trop élevée pour la fabrication des filtres envisagés. L’avantage du a-Si aurait été la valeur élevée de la partie réelle de son indice. Nous avons mesuré un n de 3.74 à 850 nm contre un n de 2.02 pour le nitrure. Ceci aurait permis de réduire le nombre de couches dans la réalisation d’un anti-reflet ou d’un miroir. En conclusion, les diélectriques choisis pour la conception des filtres sont le SiO2 déposé par PECVD et le Si3N4 par LPCVD : ces matériaux déposés sont extrêmement peu absorbants à 850 nm (k <10ିସ) et les indices sont les suivants : nୗ୧మ(850 nm) = 1.48 nୗ୧యర(850 nm) = 2.02 Nous nous sommes assurés à l’aide de l’ellipsomètre que les dépôts de couches étaient reproductibles et parfaitement contrôlés en épaisseur et indice aux erreurs près des mesures d’ellipsométrie. Ces techniques de dépôt permettent alors d’obtenir : - une précision sur l’épaisseur à ± 2 nm - un indice n reproductible à 10-2près Ensuite, nous avons cherché un substrat possédant une excellente transmission dans l’infra rouge et supportant les conditions de dépôts à température élevée, car le dépôt de nitrure LPCVD est réalisé à une température de 800°C. Nous avons trouvé peu de substrats remplissant ces conditions, 2 substrats en verre (Suprasil et Corning) ont été testés. Compte tenu des craquelures observées pendant le vieillissement des couches déposées sur le substrat Suprasil, nous avons choisi le substrat Corning (référence 7980). Ce substrat est constitué de silice amorphe synthétique très pure fabriquée par hydrolyse à flamme. Ses principales propriétés sont une excellente transmission à 850 nm (supérieure à 98% cm-1), un point de pression et de ramollissement très élevé (893°C et 1585°C) et un indice optique nୟିୗ୧(850 nm) = 1.45. Les matériaux et les techniques de dépôt choisis, nous nous intéressons à la faisabilité de l’empilement pour vérifier que l’empilement soit compatible avec un dépôt sur un substrat en verre et s’assurer que l’empilement multicouche n’engendre pas de contraintes et craquelures néfastes au bon fonctionnement optique. Des échantillons tests ont montré que certains empilements de 3 couches et plus présentaient des craquelures observables au microscope optique au bout de quelques mois. Le nitrure déposé étant contraint (~ 1 GPa), nous nous fixerons une limite de 200 nm sur l’épaisseur maximum de nitrure. De plus, nous nous limiterons à seulement 2 couches.pour s’assurer d’obtenir des empilements avec d’excellentes propriétés optiques Malgré les avantages de l’holographie pour la réalisation de motifs sur de grandes surfaces, nous avons du choisir la lithographie électronique qui nous donne la liberté de concevoir différentes formes complexes de motifs (maille hexagonale non régulière, motif double période 2D…). De plus, le procédé d’écriture est répétable avec une précision inférieure à 1 nm sur la période des motifs. Mais avec cette technique, les temps d’insolation sont longs, nous chercherons donc à concevoir des structures à faible taux de remplissage afin de diminuer le temps d’insolation et ainsi réduire les risques de dérive des réglages de la colonne électronique lors de l’insolation. Dans le document Conception, réalisation et caractérisation de filtres optiques nanostructurés à bande étroite pour applications spatiales à 0.85 µm (Page 57-61)
